CN103116957B - 一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体为一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，本发明通过对采集的信号做短时能量比和短时过零率的计算，设置短时能量比和短时过零率的阈值，将由于气候产生的干扰信号剔除，从而实时检测光纤周界安防系统的入侵信号并屏蔽气候（如风、雨）的干扰。该方法简单有效。

Description

一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法

技术领域

本发明属于光纤传感及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法。

背景技术

光纤不仅仅用于信号传输, 在感测应用中采用光纤, 还可使光纤作为传感器。当外界干扰影响传到光纤时,光纤传输的光的部分特性就会改变, 通过配置专门的感测仪表就能监测使光的特性即衰减、相位、波长、极化、模场分布和传播时间变化的干扰。通过光的调变, 使得许多事件和状态的测量成为可能, 这些事件包括张力、位移、损坏、破坏、振动频率、冲击、声波、温度、负载等。

光纤周界安防系统是利用光纤作为传感介质的一种分布式传感系统, 其中, 光纤既作为传感介质, 又作为光传输的介质。光纤周界安防系统可以在传感光纤布设长度内, 对一定精度范围内的突发事件进行远程和实时的监测。因此, 在军事国防、石油管道以及民用安全防护监测方面有着重要的应用前景。

光纤周界安防系统的原理是基于反馈环的光纤干涉型传感器，当外界振动信号作用于光纤上时，将引起入射光与出射光相位的变化，通过构造光纤干涉型传感器，可以利用干涉信号的相位差如实地将振动信号还原。由于光纤的耐腐蚀性及抗电磁干扰性，很适合用于野外环境中，可将光纤布设于围栏及地面上，用于探测入侵行为。

由于传感光纤一般布设于野外，很容易受到风雨的影响，风雨的信号与入侵信号有很大的差异性，因此可以对信号进行一些预处理而在一定程度上屏蔽风雨的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效的光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法。其通过一些信号处理算法对光纤周界安防系统所采集到的信号进行一系列处理，使处理结果对风吹、下雨等事件有一定的判别能力，从而予以剔除。

本发明中，光纤周界安防系统的结构示意图如图1所示，具体包括光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电探测器、数据采集卡和信号处理平台。工作时，光源发出的光输入光纤干涉系统，使得施加于传感光纤上的信号经过干涉系统进行干涉，经光电检测器后采集进计算机，经信号处理平台还原为外界扰动信号。由于光纤耐腐蚀抗电磁干扰性等独特优势，可以围栏布设或地埋布设以感应外界扰动信号并对人为入侵信号进行报警。

外界扰动信号是一个随时间变化的量，记为。当扰动作用于传感光纤上任意一点时，光纤内部传输光的相位会发生相应变化，通过构造光纤传感系统，可采集到两路与有关的信号，用公式表示为：

（1）

（2）

其中A、B、、均为常量，对（1）（2）式作相应处理后可求出

（3）

通过（3）式的转换可完成传感光纤对外界扰动信号的拾取，系统作为周界安防的功能得到实现。

由于外界传感光纤感应的是任一扰动信号，外界环境信号比如风雨也会作为扰动信号加以采集，因此会影响传感系统对入侵信号的检测，故软件处理平台需对扰动信号加以甄别，以屏蔽风雨信号的干扰。由于系统的原理决定了系统输出信号经转换后得到的与外界信号是成线性关系的，而外界的风和雨信号在幅度和频率上与入侵信号存在着显著差别，所以可对系统输出信号的幅度及频率加以处理后提取出风雨信号与攀爬围栏及走路这些入侵信号所不同的特征。

由于风雨信号及入侵信号均为短时信号，所以针对光纤周界安防系统输出信号的独特特性，借鉴语音端点检测的一些算法，对于语音信号处理中常用的短时能量法和短时过零率法进行改进后，可有效地滤除无用信号，并一定程度上排除自然界中风和雨的干扰。

光纤周界安防系统采集的是户外信号，包括环境信号，如风雨，当光纤布设于围栏上时，探测的有用信号是攀爬信号，当光纤布设于地面上时，探测的有用信号是走路信号。因此，针对这些信号的特征，不能笼统地套用语音信号中的短时能量及短时过零率算法，应在参数方面加以改进后进行端点检测。

本发明提供的一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，具体步骤如下：

（1）按结构图连接好光路；

（2）将光电转换后的电路信号通过数据采集卡采集进计算机；

（3）对采集的信号做短时能量比和短时过零率的计算；

（4）通过对样本大量数据进行分析，聚类，设置短时能量比和短时过零率的阈值，将由于气候产生的干扰信号剔除。

本发明中，步骤（3）中对采集信号做短时能量比和短时过零率计算，具体步骤如下：

①首先需将光纤周界安防系统采集的输出信号做分帧处理。由于安防系统需检测攀爬及走路信号，其动作持续时间长于语音中各单词信号，所以这里帧长取为50ms-200ms。在取数据时，前一帧和后一帧的交叠部分称为帧移，这里选取50-99%的帧移与帧长比。

②然后将已取出的一帧周界安防系统输出信号s(n)经过加窗处理，即用一窗函数ω(n)来乘s(n)，从而形成加窗信号。

本发明中，窗函数选用矩形窗，汉宁窗或者汉明窗。

③ 计算短时能量比和短时过零率：

本发明中短时能量E_m可定义为：

（5）

其中m表示窗的起点，表示帧的长度，为加窗信号。

由于目的信号段的短时能量要明显高于静默信号段，为了消除各信号之间幅度差异带来的能量差异，将短时能量除上各帧短时能量的平均值，即，作为短时能量比作为信号检测的参考信号，这么做消除了信号幅度带来的差异，使该方法带有普适性。

短时过零率法截取信号利用的是静默信号或噪音信号在频率上与目的信号的区别，通过数值上的区别将后者从无用信号中截取出来。

短时过零率计算方法如下：

（6）

（7）

其中m表示窗的起点，表示帧的长度，是对点的数值求符号的函数，为加窗信号。

本发明中，步骤（4）中对样本大量数据进行分析，聚类的具体方法如下：通过对不同类型的大量样本数据分析，可得到在攀爬、走路、下雨、刮风四种情况下，短时能量比和短时过零率的条件概率密度函数，由攀爬情况下的概率密度函数确定攀爬行为的短时能量比和短时过零率的阈值，由走路情况下的概率密度函数确定走路行为的短时能量比和短时过零率的阈值，从而将由于气候产生的干扰信号予以剔除。

本发明中，步骤（1）中帧长为100ms，帧移和帧长比取99%。

本发明中，通过对攀爬信号与自然界中风和雨信号的短时能量比的分析及走路信号与自然界中雨信号的对比分析得出：通过设置短时能量比的上限可以屏蔽风，通过设置短时过零率的下限可以屏蔽雨，该方法简单有效。

附图说明

图1是光纤周界安防系统结构示意图。

图2是攀爬围栏时所产生的信号图。

图3是攀爬围栏时所产生的短时能量比图。

图4是攀爬围栏时所产生的短时过零率图。

图5是刮风时所产生的信号图。

图6是刮风时所产生的短时能量比图。

图7是刮风时所产生的短时过零率图。

图8是走路时所产生的信号图。

图9是走路时所产生的短时能量比图。

图10是走路时所产生的短时过零率图。

图11是下大雨时所产生的信号图。

图12是下大雨时所产生的短时能量比图。

图13是下大雨时所产生的短时过零率图。

图14是下小雨时所产生的信号图。

图15是下小雨时所产生的短时能量比图。

图16是下小雨时所产生的短时过零率图。

具体实施方式

实施例1

在本实施例中，光纤周界安防系统的基本结构如图1所示，具体包括光源、光纤干涉系统、传感光纤、光电探测器、数据采集卡、信号处理平台。

所用的光源为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源。光纤干涉系统中所用的光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国 “康宁”生产的G652型单模光纤。数据采集卡为美国National Instruments公司的型号为PCI-6220的采集卡。信号处理平台用LabVIEW语言搭建。

整个光纤周界安防系统传感光纤部分布置在铁艺围栏上以检测攀爬信号，以S型绑扎在格栅上布置于地面以检测走路信号。

以一端镀以反射膜的单芯长光纤作为分布式的敏感传感器，利用数据采集卡将光纤周界安防系统的数据采集到计算机内，并用软件对采集到的数据进行信号处理。

对如下几种类型数据进行分析，针对系统自身的特性，信号处理中帧长选为为20ms的参数，帧移为99%。

然后将已取出的一帧周界安防系统输出信号s(n)经过加窗处理，即用一定的窗函数w(n)来乘s(n)，从而形成加窗信号。

这里选用矩形窗作为窗函数，它的表达式如下（其中N为帧长）：

（4）

再将短时能量E_m除上各帧短时能量的平均值计算得到短时能量比； 计算公式如下：

其中短时能量E_m可定义为：

（5）

其中m表示窗的起点，表示帧的长度，为加窗信号。

再计算短时过零率Z_m,，短时过零率Z_m计算方法如下：

（6）

（7）

其中m表示窗的起点，表示帧的长度，是对点的数值求符号的函数，为加窗信号。

当光纤布设于围栏上时，系统应检测攀爬围栏的行为，如图2-图4所示为攀爬围栏时所产生的信号、短时能量比和短时过零率图。通过分析攀爬行为的信号可以发现，攀爬事件发生时，短时能量比高于噪声，短时过零率低于噪声，从图中可以看出，短时能量的检测效果优于短时过零率。

光纤布设于围栏上会产生误报警的情况是自然界中的风和雨，如5-图7所示为风信号时所产生的信号、短时能量比和短时过零率图。对其信号经过分析后可以发现：风信号短时能量比和短时过零率变化均比较小，由此可以跟攀爬围栏的行为进行区别。

如图8-图10所示为雨信号时布设于围栏上的光纤采集得到的信号、短时能量比和短时过零率图。

当光纤布设于地面上时，系统应检测在布设区域内的走路行为，如图2-图4所示为走路时所产生的信号、短时能量比和短时过零率图。通过分析走路行为的信号可以发现，走路行为发生时，短时能量比高于噪声，而由于走路信号为低频信号，短时过零率低于噪声。

光纤布设于地面上时会产生误报警的情况是自然界中的雨，如图11-图13所示为下大雨时所产生的信号、短时能量比和短时过零率图。对其信号经过分析后可以发现：大雨信号短时能量比没有突变，短时过零率也没有突变，由此可以跟走路行为进行区别。

如图14-图16所示为下小雨时所产生的信号、短时能量比和短时过零率图。对于小雨信号，由于其幅度变化比较随机，所以不能用短时能量将其检出，但其短时过零率变化比较小，可以通过这一规律将其与走路信号加以区别。

通过上述对攀爬信号与自然界中风信号的对比分析及走路信号与自然界中雨信号的对比分析，由图可以得出这样的结论：在本实施例中，将短时能量比的上限设置为5可以屏蔽风，将短时过零率的下限设置为10可以屏蔽雨。

Claims (4)

1.一种光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)连接好光路；

(2)将光电转换后的电路信号通过数据采集卡采集进计算机；

(3)对采集的信号做短时能量比和短时过零率的计算；

(4)通过对样本大量数据进行分析、聚类，设置短时能量比和短时过零率的阈值，将由于气候产生的干扰信号剔除；

其中：步骤(3)中对采集信号进行短时能量比和短时过零率的计算方法如下：

①首先将光纤周界安防系统采集的信号做分帧处理，帧长取50ms-200ms，帧移和帧长比取50-99％；

②然后将已取出的一帧周界安防系统输出信号s(n)经过加窗处理，即用窗函数ω(n)来乘s(n)，从而得到加窗信号S_ω(n)，其公式为：S_ω(n)＝s(n)·ω(n)；

③计算短时能量比E_r和短时过零率Z_m：

将短时能量E_m除以各帧短时能量的平均值得到短时能量比E_r，以消除信号幅度带来的差异，计算公式如下：

$E_r=E_m/\stackrel{\‾}{E}$

$E_m=\underset{n=m}{\overset{m+N-1}{\Σ}}{S}_{\mathrm{\ω}}^2\left(n\right)$

其中m表示窗的起点，N表示帧的长度，S_ω(n)为加窗信号；

短时过零率Z_m的计算公式如下所示：

$Z_m=\frac{1}{2}\underset{n=m}{\overset{m+N-1}{\Σ}}\left\{\right|\mathrm{sgn}\[s_{\mathrm{\ω}}\left(n\right)\]-\mathrm{sgn}\[s_{\mathrm{\ω}}(n-1)\]\left|\right\}$

$\mathrm{sgn}\&lsqb;x\&rsqb;=\left\{\begin{array}{c}1,x\&GreaterEqual;0\\ -1,x<0\end{array}\right.$

其中m表示窗的起点，N表示帧的长度，sgn是对点的数值求符号的函数，S_ω(n)为加窗信号。

2.根据权利要求1所述的光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，其特征在于：所述窗函数ω(n)为矩形窗、汉明窗或者汉宁窗。

3.根据权利要求1所述的光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，其特征在于：帧长为100ms，帧移和帧长比取99％。

4.根据权利要求1所述的光纤周界安防系统屏蔽气候影响的方法，其特征在于：步骤(4)中所述对样本大量数据进行分析，聚类的具体方法如下：通过对不同类型的大量样本数据分析，得到在攀爬、走路、下雨、刮风四种情况下，短时能量比和短时过零率的条件概率密度函数，由攀爬情况下的概率密度函数确定攀爬行为的短时能量比和短时过零率的阈值，由走路情况下的概率密度函数确定走路行为的短时能量比和短时过零率的阈值。